Was sind Röntgenstrahlen?

Röntgenstrahlen sind Arten elektromagnetischer Strahlung, die wahrscheinlich am bekanntesten für ihre Fähigkeit sind, durch die Haut einer Person zu sehen und Bilder der Knochen darunter zu enthüllen. Fortschritte in der Technologie haben zu leistungsstärkeren und fokussierteren Röntgenstrahlen sowie zu immer stärkeren Anwendungen dieser Lichtwellen geführt, von der Abbildung von winzigen biologischen Zellen und Strukturkomponenten von Materialien wie Zement bis zur Abtötung von Krebszellen.  

Röntgenstrahlen werden grob in weiche und harte Röntgenstrahlen eingeteilt. Weiche Röntgenstrahlen haben relativ kurze Wellenlängen von etwa 10 Nanometern (ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter) und fallen daher in den Bereich des elektromagnetischen (EM) Spektrums zwischen ultraviolettem (UV) Licht und Gammastrahlen. Harte Röntgenstrahlen haben Wellenlängen von etwa 100 Pikometern (ein Pikometer ist ein Billionstel Meter). Diese elektromagnetischen Wellen nehmen den gleichen Bereich des EM-Spektrums ein wie Gammastrahlen. Der einzige Unterschied zwischen ihnen ist ihre Quelle: Röntgenstrahlen werden durch Beschleunigung von Elektronen erzeugt, während Gammastrahlen durch Atomkerne in einer von vier Kernreaktionen erzeugt werden. 

Geschichte der Röntgenstrahlen

Röntgenstrahlen wurden 1895 von Wilhelm Conrad Röentgen, Professor an der Universität Würzburg in Deutschland, entdeckt. Laut der "Geschichte der Radiographie" des zerstörungsfreien Ressourcenzentrums bemerkte Röentgen Kristalle in der Nähe einer Hochspannungskathodenstrahlröhre, die fluoreszierend leuchteten, selbst wenn er sie mit dunklem Papier abschirmte. Durch das Rohr, das in das Papier eindrang und die Kristalle zum Leuchten brachte, wurde irgendeine Form von Energie erzeugt. Röentgen nannte die unbekannte Energie "Röntgenstrahlung". Experimente zeigten, dass diese Strahlung Weichteile, aber keinen Knochen durchdringen und Schattenbilder auf Fotoplatten erzeugen kann. 

Für diese Entdeckung erhielt Röentgen 1901 den ersten Nobelpreis für Physik.

Röntgenquellen und -effekte

Laut Kelly Gaffney, Direktorin der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, können Röntgenstrahlen auf der Erde erzeugt werden, indem ein energiereicher Elektronenstrahl in ein Atom wie Kupfer oder Gallium eingeschlagen wird. Wenn der Strahl auf das Atom trifft, werden die Elektronen in der inneren Hülle, die als S-Schale bezeichnet wird, angerempelt und manchmal aus ihrer Umlaufbahn geschleudert. Ohne dieses Elektron oder diese Elektronen wird das Atom instabil, und damit sich das Atom "entspannt" oder wieder ins Gleichgewicht zurückkehrt, fällt laut Gaffney ein Elektron in der sogenannten 1p-Schale ein, um die Lücke zu füllen. Das Ergebnis? Eine Röntgenaufnahme wird freigegeben.

"Das Problem dabei ist, dass die Fluoreszenz (oder das abgegebene Röntgenlicht) in alle Richtungen geht", sagte Gaffney. "Sie sind nicht gerichtet und nicht fokussierbar. Es ist keine sehr einfache Möglichkeit, eine energiereiche, helle Röntgenquelle herzustellen."

Betreten Sie ein Synchrotron, eine Art Teilchenbeschleuniger, der geladene Teilchen wie Elektronen auf einer geschlossenen Kreisbahn beschleunigt. Die grundlegende Physik legt nahe, dass jedes Mal, wenn Sie ein geladenes Teilchen beschleunigen, es Licht abgibt. Die Art des Lichts hängt von der Energie der Elektronen (oder anderer geladener Teilchen) und dem Magnetfeld ab, das sie um den Kreis drückt, sagte Gaffney.

Da die Synchrotronelektronen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit gebracht werden, geben sie enorme Energiemengen ab, insbesondere Röntgenenergie. Und nicht irgendwelche Röntgenstrahlen, sondern ein sehr starker Strahl fokussierten Röntgenlichts.

Laut der Europäischen Synchrotronstrahlungsanlage wurde 1947 bei General Electric in den USA erstmals Synchrotronstrahlung beobachtet. Diese Strahlung wurde als störend empfunden, da sie dazu führte, dass die Partikel Energie verloren. Später in den 1960er Jahren wurde sie jedoch als Licht mit außergewöhnlichen Eigenschaften erkannt, die die Mängel der Röntgenröhren überwanden. Ein interessantes Merkmal der Synchrotronstrahlung ist, dass sie polarisiert ist; Das heißt, die elektrischen und magnetischen Felder der Photonen schwingen alle in die gleiche Richtung, die entweder linear oder kreisförmig sein kann. 

"Da die Elektronen relativistisch sind (oder sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen), wird sie beim Abgeben von Licht in Vorwärtsrichtung fokussiert", sagte Gaffney. "Dies bedeutet, dass Sie nicht nur die richtige Farbe für Lichtröntgenstrahlen erhalten und nicht nur viele davon, weil Sie viele Elektronen gespeichert haben, sondern diese auch bevorzugt in Vorwärtsrichtung emittiert werden."

Röntgenbildgebung

Aufgrund ihrer Fähigkeit, bestimmte Materialien zu durchdringen, werden Röntgenstrahlen für verschiedene zerstörungsfreie Bewertungs- und Prüfanwendungen verwendet, insbesondere zur Identifizierung von Fehlern oder Rissen in Bauteilen. Laut dem NDT Resource Center wird "Strahlung durch ein Teil auf [einen] Film oder einen anderen Detektor gerichtet. Der resultierende Schattengraph zeigt die internen Merkmale" und ob das Teil Ton ist. Dies ist die gleiche Technik, die in Arzt- und Zahnarztpraxen verwendet wird, um Röntgenbilder von Knochen bzw. Zähnen zu erstellen. [Bilder: Atemberaubende Fischröntgenaufnahmen]

Röntgenstrahlen sind auch für Inspektionen der Transportsicherheit von Fracht, Gepäck und Passagieren unerlässlich. Elektronische Bilddetektoren ermöglichen die Echtzeitvisualisierung des Inhalts von Paketen und anderen Passagierartikeln. 

Die ursprüngliche Verwendung von Röntgenstrahlen war die Abbildung von Knochen, die leicht von Weichgeweben auf dem damals verfügbaren Film zu unterscheiden waren. Genauere Fokussiersysteme und empfindlichere Detektionsmethoden wie verbesserte fotografische Filme und elektronische Bildsensoren haben es jedoch ermöglicht, immer feinere Details und subtile Unterschiede in der Gewebedichte zu unterscheiden, während viel niedrigere Belichtungsniveaus verwendet wurden.

Darüber hinaus kombiniert die Computertomographie (CT) mehrere Röntgenbilder zu einem 3D-Modell einer Region von Interesse.

Ähnlich wie bei der CT kann die Synchrotron-Tomographie nach Angaben des Helmholtz-Zentrums für Materialien und Energie dreidimensionale Bilder von Innenstrukturen von Objekten wie technischen Bauteilen liefern.

Röntgentherapie

Die Strahlentherapie verwendet energiereiche Strahlung, um Krebszellen durch Schädigung ihrer DNA abzutöten. Da die Behandlung auch normale Zellen schädigen kann, empfiehlt das National Cancer Institute, die Behandlung sorgfältig zu planen, um Nebenwirkungen zu minimieren. 

Nach Angaben der US-Umweltschutzbehörde zappt sogenannte ionisierende Röntgenstrahlung einen fokussierten Bereich mit genügend Energie, um Elektronen vollständig von Atomen und Molekülen zu entfernen und so ihre Eigenschaften zu verändern. In ausreichenden Dosen kann dies Zellen beschädigen oder zerstören. Während dieser Zellschaden Krebs verursachen kann, kann er auch zur Bekämpfung verwendet werden. Indem Röntgenstrahlen auf Krebstumoren gerichtet werden, können diese abnormalen Zellen zerstört werden. 

Röntgenastronomie

Laut Robert Patterson, Professor für Astronomie an der Missouri State University, gehören zu den himmlischen Röntgenquellen enge binäre Systeme, die Schwarze Löcher oder Neutronensterne enthalten. In diesen Systemen kann der massereichere und kompaktere Sternrest Material von seinem Begleitstern entfernen, um eine Scheibe aus extrem heißem röntgenstrahlemittierendem Gas zu bilden, wenn es sich nach innen windet. Darüber hinaus können supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Spiralgalaxien Röntgenstrahlen aussenden, wenn sie Sterne und Gaswolken absorbieren, die in ihre Gravitationsreichweite fallen. 

Röntgenteleskope verwenden Reflexionen mit geringem Winkel, um diese hochenergetischen Photonen (Licht) zu fokussieren, die sonst durch normale Teleskopspiegel gelangen würden. Da die Erdatmosphäre die meisten Röntgenstrahlen blockiert, werden Beobachtungen normalerweise mit Ballons in großer Höhe oder umlaufenden Teleskopen durchgeführt. 

Zusätzliche Ressourcen

• Um mehr zu erfahren, laden Sie dieses PDF von SLAC mit dem Titel "Early History of X-Rays" herunter.
• Das NDE / NDT Resource Center bietet Informationen zur zerstörungsfreien Bewertung / zerstörungsfreien Prüfung. 
• Die Missionsseite der NASA zum elektromagnetischen Spektrum erklärt, wie Astronomen Röntgenstrahlen verwenden.

Diese Seite wurde am 5. Oktober 2018 von Managing Editor Jeanna Bryner aktualisiert.